時空簡訊第50期。

長久以來，生命的演化歷經(jīng)種類由少到多，結(jié)構(gòu)由簡單到復雜，形式由低等到高等，逐漸趨于復雜化，然而人類對于生命演化的探索腳步從未停止。但受到認知和技術(shù)的局限，關(guān)于生命演化的很多知識領(lǐng)域還處于空白。單細胞和空間組學技術(shù)的發(fā)展逐步實現(xiàn)了對生命演化的多維分析。在這些新興技術(shù)的帶領(lǐng)下，人類可能會更深入地了解生命演化的奧秘。

在此，我們遴選了10篇應用單細胞和空間組學技術(shù)研究動物（器官）和植物進化的文章，以期為理解動物和植物的進化過程對人類生命發(fā)展和存在意義的影響提供參考。

動物（器官）進化/Animal (Organ) Evolution

01、腦

哺乳動物初級運動皮層的多模態(tài)細胞普查和圖譜

Nature?[IF: 49.962]

① 報告了作為BRAIN Initiative Cell Census Network（BICCN）的哺乳動物初級運動皮層的多模式細胞普查和圖譜的生成，這是通過協(xié)調(diào)大規(guī)模分析單細胞轉(zhuǎn)錄組、染色質(zhì)可及性、DNA甲基化組、空間分辨單細胞轉(zhuǎn)錄組、形態(tài)和電生理特性及細胞分辨率輸入輸出映射，通過跨模態(tài)計算分析集成實現(xiàn)的，促進了對腦細胞類型組織的整體認識和理解。

② 通過對小鼠、絨猴和人類轉(zhuǎn)錄組的比較分析，得出了皮質(zhì)細胞反映發(fā)育起源的層次的、跨物種的保守細胞類型，不同物種間細胞類型粒度的轉(zhuǎn)錄相似性隨進化距離的變化而變化；揭示了在三個物種中高度保守的轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組的特征，以及大量可以表明進化特異性的基因表達譜。

③ 結(jié)合解剖學研究，發(fā)現(xiàn)了一個固定在主要轉(zhuǎn)錄組定義的投射類型上的小鼠初級運動皮層（MOp；靈長類動物稱為M1）的細胞分辨率接線圖，包括亞種群水平上的輸入-輸出連接和基因定義的單細胞水平上的通路。

④ 解釋了谷氨酸能興奮性神經(jīng)元的長程軸突投射模式與轉(zhuǎn)錄組和表觀遺傳類型（一對一和多對多之間）具有復雜而多樣的關(guān)系，認為在定義單細胞連接特異性方面存在著另一種調(diào)節(jié)水平。（潘宏偉）

A multimodal cell census and atlas of the mammalian primary motor cortex.

2021.10.06, DOI: 10.1038/S41586-021-03950-0

研究文章；小鼠，狨猴，人，腦，運動皮層，運動神經(jīng)元，谷氨酸能興奮性神經(jīng)元，scRNA-seq，snRNA-seq，snmC-seq2，snATAC-seq，MERFISH；Edward M. Callaway, Hong-Wei Dong；Systems Neurobiology Laboratories, the Salk Institute for Biological Studies; USA.

鱗狀腦的比較分析揭示與運動專門化相關(guān)的小腦結(jié)構(gòu)的多層次變異

Nature Communications?[IF: 11.878]

① 結(jié)合單細胞分布和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，以及高清晰度3D模型的幾何形態(tài)、系統(tǒng)發(fā)育和體積分析，揭示了40種有鱗動物（29種蜥蜴和11種蛇）小腦形狀和大小的顯著變化，以及皮層神經(jīng)元的替代空間布局和動態(tài)基因表達，這些都與運動行為相關(guān)。

② 通過比較轉(zhuǎn)錄學，確定具有相似或不同運動行為的代表性鱗類物種小腦基因表達的相似性；基于同源基因歸一化表達值的熱圖分析和系統(tǒng)聚類分析，發(fā)現(xiàn)了三個具有特征基因表達模式的簇，包括鱗片類物種之間的相似（上調(diào)或下調(diào)，簇1和簇2）或差異（簇3）表達。

③ 運動模式是小腦大小、形狀、PC空間組織和基因表達水平的有力預測因子，差異基因的表達可能反映了鱗類動物不同的運動模式。

④ 隨著小腦形狀和大小的改變，浦肯野細胞的空間分布和動態(tài)基因表達模式呈現(xiàn)出異質(zhì)性，這都與運動特化有關(guān)。（XUC）

Comparative analysis of squamate brains unveils multi-level variation in cerebellar architecture associated with locomotor specialization.

2019.12.05,?DOI:? 10.1038/s41467-019-13405-w

研究文章；鱗類動物，大腦，小腦，浦肯野細胞，運動模式，進化，scRNA-seq；Simone Macrì，Nicolas Di-Po?; Institute of Biotechnology, University of Helsinki; Finland.

02、肺

scRNA-seq結(jié)合長讀基因組組裝揭示牦牛適應性進化的遺傳和細胞機制

Nature Communications?[IF：17.694]

① 利用二代、三代測序和Hi-C數(shù)據(jù)構(gòu)建了野牦牛和家牦牛的高質(zhì)量染色體水平基因組，通過長讀數(shù)據(jù)篩選基因組結(jié)構(gòu)變異（structural variants，SVs）提供了牦牛SVs的全基因組目錄，并應用scRNA-seq繪制了牛肺組織的單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，這為了解牦牛適應性進化的遺傳和細胞機制提供了重要的信息。

② 野牦?；蚪M為2.63 Gb，家牦牛基因組為2.61 Gb，兩者同為30條染色體；BUSCO評價野牦牛和家牦?；蚪M組裝和注釋完整性為93.3%和93.2%。

③ 檢測野牦牛和家牦牛的SVs，發(fā)現(xiàn)野牦牛基因組存在大量缺失、插入、重復和倒置序列，且大部分SVs位于非編碼區(qū)，與心、肝和腎等相比，肺中攜帶SVs的DEGs最多；對以上DEGs的啟動子基序進行富集分析，確定了ARNT、GATA1、MAGF、KLF5及HOXB5共5個與缺氧反應相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子。

④ 通過scRNA-seq分析31,579個野牦牛細胞和27,951個家牦牛細胞，構(gòu)建了野牦牛和家牦牛肺的單細胞圖譜，鑒定出四種主要細胞類型（上皮細胞、內(nèi)皮細胞、間充質(zhì)細胞和免疫細胞），并識別出牦牛肺中一類特異性的內(nèi)皮細胞亞型。

⑤ 與高海拔適應相關(guān)的EPAS1基因在野牦牛內(nèi)皮細胞中富集，參與彈性纖維組裝的LOX基因在家牦牛間充質(zhì)細胞中富集；利用組織學染色檢查肺，發(fā)現(xiàn)野牦牛微血管內(nèi)側(cè)增厚明顯，存在較多可增強肺收縮能力的彈性纖維。

⑥ 整合SVs和scRNA-seq數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)家牦牛肺內(nèi)皮細胞比野牦牛表達更多的DEGs，表明肺中內(nèi)皮細胞的發(fā)育和野牦牛對高原的適應性可能受SVs影響，揭示了野牦牛適應高原環(huán)境的遺傳基礎(chǔ)。（Yuki）

Long read genome assemblies complemented by single cell RNA-sequencing reveal genetic and cellular mechanisms underlying the adaptive evolution of yak.

2022.09.06,?DOI: 10.1038/s41467-022-32164-9

研究文章；牦牛，普通牛，肺，內(nèi)皮細胞，彈性纖維，高原適應性，基因組，結(jié)構(gòu)變異，scRNA-seq；Xue Gao, Sheng Wang, Xin-Quan Zhao, Dong-Dong Wu, Qi-En Yang; 中國科學院西北高原生物學研究所，中國科學院大學，中國科學院昆明動物學研究所，中國科學院動物進化與遺傳學卓越中心；中國

03、胰島

胰島細胞的轉(zhuǎn)錄跨物種圖譜

Molecular Metabolism?[IF：8.568]

① 利用scRNA-seq，分析了來自5個人、2只豬、3只小鼠的5萬多個胰島細胞，并描述了跨物種的轉(zhuǎn)錄異質(zhì)性和保守性，以及不同的α和β細胞狀態(tài)，提供了一個健康的人類胰島細胞及其小鼠和豬對應細胞的高分辨率轉(zhuǎn)錄圖譜，使跨物種研究胰島細胞異質(zhì)性、功能、成熟和壓力成為可能。

② 物種間內(nèi)分泌表達譜整體上相關(guān)并共享關(guān)鍵特征和分子標志物，但僅有約20%的細胞類型性富集表達是保守的。

③ 解析不同狀態(tài)下的人類α細胞和β細胞的連續(xù)轉(zhuǎn)錄組全景圖，這些狀態(tài)差異能激活成熟和激素分泌程序，這與調(diào)節(jié)激素受體表達、信號通路和不同細胞壓力反應有關(guān)。

④ 通過比對小鼠、豬的細胞到人類參考圖譜，發(fā)現(xiàn)人類α細胞和β細胞的異質(zhì)性譜和荷爾蒙受體、離子通道相關(guān)基因在豬的內(nèi)分泌細胞中表達更保守。（舟江海）

A transcriptional cross species map of pancreatic islet cells.

2022.09.13,?DOI: 10.1016/j.molmet.2022.101595

研究文章；人，豬，小鼠，胰島細胞，α細胞，β細胞，保守性，轉(zhuǎn)化，scRNA-seq；Sophie Tritschler, Heiko Lickert, Fabian J Theis; Institute of Computational Biology, Institute of Diabetes and Regeneration Research, Technical University of Munich, Institute of Stem Cell Research, German Center for Diabetes Research (DZD)；Germany.

04、膀胱

人和小鼠的膀胱單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜研究

Journal of the American Society of Nephrology?[IF：8.547]

① 對三個新鮮的人膀胱樣本進行scRNA-seq測序，獲得12,423高質(zhì)量的細胞，分成了16個細胞簇，注釋成了成纖維細胞、中間細胞等細胞類型。

② 通過對人膀胱細胞中的中間細胞進行分析，發(fā)現(xiàn)了一個新的中間細胞亞型，該細胞亞型高表達與神經(jīng)傳導和過敏反應有關(guān)的ADRA2A和HRH2基因。

③ 在人膀胱細胞中的上皮細胞中以前從未被報道過的TNNT1+膀胱上皮細胞，它可能參與膀胱排空，并存在于大鼠和小鼠膀胱中。

④ 通過人和小鼠比較分析，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)細胞類型相關(guān)性較好，同時也發(fā)現(xiàn)了一些marker基因在人和小鼠中的表達具有異質(zhì)性，表明人類和小鼠的進化都具有保守和異質(zhì)性。（李小葦）

Single-cell transcriptomic map of the human and mouse bladders.

2019.08.28,?DOI: 10.1681/ASN.2019040335

研究文章；人，小鼠，膀胱，中間細胞，上皮細胞，scRNA-seq；Zhenyuan Yu, Jinling Liao , Yang Chen, Rirong Yang, Zengnan Mo；廣西醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院，廣西醫(yī)科大學，基因組與個性化醫(yī)學中心；中國

05、其他

跨物種單細胞景觀的深度學習可識別細胞類型背后的保守調(diào)控程序

Nature Genetics?[IF：41.307]

① 利用Microwell-seq技術(shù)分別獲得了635,228個、276,706個和95,020個斑馬魚、果蠅和蚯蚓的全身單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，注釋和亞聚類分析得到斑馬魚11個主要細胞系的105個細胞類型和1285個細胞亞型，果蠅12個主要細胞系的87個細胞類型和1085個細胞亞型，以及蚯蚓8個主要細胞系的62個細胞類型和462個細胞亞型。

② 整合了其他5種動物（人類、小鼠、海鞘、線蟲和渦蟲）的單細胞數(shù)據(jù)，通過SAMap分析檢驗跨物種細胞類型相似性，發(fā)現(xiàn)脊椎動物的細胞類型保守，如免疫、基質(zhì)、神經(jīng)元、上皮、內(nèi)皮和生殖細胞；在8種代表性后生動物中共鑒定了2,342個細胞系特異性轉(zhuǎn)錄因子（TFs），通過計算每個物種TF特異性得分，評估了它們特異性細胞類型的遺傳調(diào)控保守性。

③ 開發(fā)了用于在單細胞水平上預測基因表達和識別轉(zhuǎn)錄調(diào)控信號的、基于深度學習策略的Nvwa模型，發(fā)現(xiàn)其在預測生殖系細胞表達方面的正確性最高，并以小鼠神經(jīng)元細胞為例，驗證了Nvwa預測性能的穩(wěn)健性。

④ Nvwa模型第一層卷積Filter代表了相應細胞類型的特定基序，該基序與已知的TF結(jié)合位點（TFBSs）具有很高相似性；跨物種比較Nvwa模型衍生Filter，同源Filter傾向于在不同物種間保持相似的細胞類型特異性。（Yuki）

Deep learning of cross-species single-cell landscapes identifies conserved regulatory programs underlying cell types.

2022.10.13,?DOI: 10.1038/s41588-022-01197-7

研究文章；斑馬魚，果蠅，蚯蚓，保守調(diào)控程序，進化，Nvwa，深度學習，scRNA-seq，Microwell-seq；Jiaqi Li, Jingjing Wang, Peijing Zhang, Renying Wang, Xiaoping Han, Guoji Guo; 浙江大學醫(yī)學院；中國

突觸工具包的前后代動物祖先和第一個神經(jīng)元的出現(xiàn)

Essays in Biochemistry?[IF：7.258]

① 神經(jīng)元存在于除海綿和胎盤動物以外的所有主要動物譜系中，且突觸工具包（synaptic toolkit）的許多關(guān)鍵組成部分都存在于動物之外，尤其是它們的近親中（魚孢子蟲、多形目、絲蟲和領(lǐng)鞭毛蟲）。

② 盡管神經(jīng)元的許多成分都得到了深度保護，但神經(jīng)元細胞類型中存在大量多樣性，而認為櫛水母和刺胞動物具有簡單神經(jīng)網(wǎng)絡的傳統(tǒng)觀點低估了這些神經(jīng)系統(tǒng)的復雜性。

③ 圍繞神經(jīng)元和突觸的進化起源存在懸而未決的問題，神經(jīng)元和突觸在動物進化過程中進化過一次還是多次進化過仍存爭議。

④ 單細胞轉(zhuǎn)錄組學和蛋白質(zhì)組學的進步，以及非兩側(cè)對稱動物和動物近親單細胞動物功能技術(shù)的發(fā)展，為解決這些長期爭論不休的問題提供了新的工具。（舟江海）

The premetazoan ancestry of the synaptic toolkit and appearance of first neurons.

2022.12.08,?DOI: 10.1042/EBC20220042

綜述；鞭蟲，海綿，櫛水母門動物，扁盤動物，刺胞動物，原生動物，突觸，scRNA-seq，蛋白組，空間轉(zhuǎn)錄組；Jeffrey Colgren, Pawel Burkhardt; Sars International Centre for Marine Molecular Biology, University of Bergen；Norway.

植物進化/plant evolution

泛單細胞轉(zhuǎn)錄組揭示谷類作物中細胞分化的模式

Nature?[IF: 64.800]

① 對玉米（Zea mays）、高粱（Sorghum bicolor）和狗尾草（Setaria viridis）的根進行scRNA-seq和snRNA-seq分析，解剖根來單獨觀察細胞，并精確觀察基因在特定細胞中的表達位置，揭示了這些重要谷類作物之間的進化差異。

② 通過物種間的細胞類型映射，識別出了可靠的直系同源標記基因；比較細胞分析表明，某些細胞類型的轉(zhuǎn)錄組比其他細胞類型的更快分化，部分原因是從其他細胞類型募集基因模塊。

③ 幫助產(chǎn)生根黏液的基因位于玉米、高粱和小米根的不同部位。此外，在不同類型的細胞中發(fā)現(xiàn)了50多個交換模塊；交換的模塊是基因的主要候選者，可以調(diào)節(jié)玉米和相關(guān)物種之間細胞特征的差異。

④ 最近的全基因組復制事件為新的、高度定位的基因表達結(jié)構(gòu)域提供了豐富的來源，有利于細胞類型的快速進化。（寒鶴）

A pan-grass transcriptome reveals patterns of cellular divergence in crops.

2023.05.10,?DOI：10.1038/s41586-023-06053-0

研究文章；玉米，高粱，擬南芥，scRNA-seq，snRNA-seq，泛轉(zhuǎn)錄組，保守基因模塊，細胞演化，基因復制；Bruno Guillotin, Kenneth D. Birnbaum; New York University; USA.

單細胞轉(zhuǎn)錄組揭開木質(zhì)部發(fā)育與演化的“謎底”

Cenome Biology?[IF：17.906]

① 通過單細胞和激光捕獲顯微切割（LCM）的轉(zhuǎn)錄組分析，首次確定了4種不同的木本植物的莖分化木質(zhì)部中射線和紡錘形細胞的發(fā)育譜系，提供了對跨越一億多年進化歷史的多個植物物種的木質(zhì)部細胞系形成的進化-生物框架的全面理解。

②采用scRNA-seq對來自毛果楊 (Populus trichocarpa)7個生物重復的25,166個單獨的stem-differentiating xylem（SDX）細胞進行分析，并結(jié)合LCM與lcmRNA-seq，繪制了毛果楊SDX的詳細細胞譜系，揭示了木質(zhì)部紡錘形和射線細胞的兩種不同的分化軌跡。

③對玫瑰桉 (Eucalyptus grandis)、昆欄樹 (Trochodendron aralioides)和鵝掌楸 (Liriodendron chinense)3個木本物種的SDX細胞進行scRNA-seq，并與毛果楊的scRNA-seq數(shù)據(jù)進行跨物種配對相關(guān)分析，揭示了被子植物中高度保守的射線但可變的紡錘形譜系。

④ 整合scRNA-seq數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)所有4種木本植物在其SDX中都有幾乎相同的射線細胞系，3種裸子植物有類似的紡錘形細胞系，而鵝掌楸有一個獨特的紡錘形細胞系，具有紡錘形組織細胞和不同于裸子植物的韌性纖維。

⑤ 在無導管細胞的種子植物中缺乏SND2基因或其在SDX中的表達。（寒鶴）

Single-cell transcriptomics unveils xylem cell development and evolution.

2023.01.09,?DOI: 10.1186/s13059-022-02845-1

研究文章；木本植物，毛果楊，玫瑰桉，昆欄樹，鵝掌楸，木質(zhì)部，細胞譜系，細胞發(fā)育，跨物種比較分析，纖維切割，scRNA-seq，LCM，lcmRNA-seq；Chia-Chun Tung，Shang-Che Kuo，Chia-Ling Yang，Jhong-He Yu，Chuan Ku，Ying-Chung Jimmy Lin；臺灣大學；中國

時空轉(zhuǎn)錄組揭示蕓苔屬植物胚和種皮發(fā)育的演化

The New Phytologist?[IF：10.323]

① 從6種蕓苔屬植物中獲得15個樣本，包括受精前階段（未受精的胚珠）和2個種子亞室的7個發(fā)育階段，通過RNA-seq分析獲得了蕓苔屬植物跨物種種子發(fā)育的時空轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)（https://bar. utoronto.ca），闡明了種子性狀的遺傳基礎(chǔ)和對種子生產(chǎn)施加的選擇壓力，為這些有價值作物馴化過程中基因和亞基因組水平上的進化差異和表達偏差提供了新的見解。

② 分析種子發(fā)育過程中不同階段、組織和亞基因組的轉(zhuǎn)錄組關(guān)系，發(fā)現(xiàn)亞基因組A與C之間的距離短于A與B或B與C，組織類型和發(fā)育階段的轉(zhuǎn)錄組差異大于亞基因組和物種。

③ 比較了三個四倍體物種的同源基因差異表達，發(fā)現(xiàn)倚偏和顯性表達的基因在種皮中比在胚中更多；GO分析發(fā)現(xiàn)胚和種皮差異表達基因分別富集于細胞形態(tài)發(fā)生和單維細胞生長、苯丙素代謝和生物合成過程。

④ 共表達分析6種蕓苔屬植物種子發(fā)育過程中胚和種皮轉(zhuǎn)錄組，發(fā)現(xiàn)胚和種皮的表達模式相似性較高；分析關(guān)鍵基因的表達動態(tài)，發(fā)現(xiàn)種子受精卵和受精后立即發(fā)生基因表達重編程，支持了生長素和細胞分裂素在蕓苔屬種子發(fā)育早期階段中的核心作用。

⑤?通過比較種子發(fā)育過程中胚和種皮中調(diào)控網(wǎng)絡和代謝通路的基因表達，發(fā)現(xiàn)6種蕓苔屬植物在貯藏儲存積累和脂肪酸代謝方面存在差異；評估6種蕓苔屬植物的轉(zhuǎn)錄組年齡指數(shù)和差異指數(shù)，推測了蕓苔屬植物種子發(fā)育演化的“沙漏形”模式。（Yuki）

Evolutionary divergence in embryo and seed coat development of U's Triangle Brassica species illustrated by a spatiotemporal transcriptome atlas.

2021.10.23,?DOI: 10.1111/nph.17759

研究文章；蕓苔屬植物，油籽，多倍體，“禹氏三角”，胚胎，種皮，發(fā)育,演化，時空轉(zhuǎn)錄組；Peng Gao, Teagen D. Quilichini, Raju Datla, Daoquan Xiang; University of Saskatchewan, National Research Council Canada; Canada.